東北大、磁気の渦を非破壊・非接触で直接検出する手法を開発

ナノ磁石は、形状や大きさ、配列などを自由に設計することができ、それにより、特殊な磁気配列を室温で系統的かつ精密に制御することが可能であるほか、小さな磁場で容易に磁石の性質を変えることができるため、新規な磁気配列を実現する舞台として注目されており、これまでに、正三角形の形状のナノ磁石を用いると、外部磁場により磁気の渦の方向制御が可能であることが知られていたという。

そこで今回は、磁気シミュレーションにより磁気トロイダル双極子の振る舞いを定性的に評価する手法を開発。磁場ゼロ付近で磁気トロイダル双極子が実現すること、また磁場を掃引する方向を逆にすると渦の向きも反転することが確かめられたとした。

今回の研究の概念図。数百nmの大きさのナノ磁石の中に実現された磁気トロイダル双極子を、光の波長が変換される非線形光学効果を利用して非破壊・非接触で検出するという内容 (出所:東北大プレスリリースPDF)

ナノ磁石中に実現される磁気トロイダル双極子を直接的に検出するため、非線形光学効果の一種で、物質の対称性に敏感な性質を持つ、入射した光の半分の波長の光が生じる現象である「光第二高調波発生」(SHG)を用いた高感度検出システムを構築。今回作製されたナノ磁石および磁気トロイダル双極子の対称性を考えると、左回りの円偏光が照射されると波長が半分になった右回りの円偏光が生じることが予想されたが、実際その原理を利用して磁気トロイダル双極子を検出することに成功したとする。

磁場による磁気の渦の制御と光第二高調波発生を用いた検出。(a)磁気シミュレーションを用いた、ナノ磁石で実現される磁気トロイダル双極子の定性的な見積もり。(b)SHGを用いた磁磁気トロイダル双極子の検出 (出所:東北大プレスリリースPDF)

さらに、渦の向きを反転させると、SHG強度に明瞭な違いが生じることも判明し、これにより方向までをも含めた磁気トロイダル双極子の非破壊・非接触な直接検出の基礎原理を確立したという。

今回得られた結果は、従来の物質合成手法とは異なるアプローチによるものであり、電気磁気交差相関機能の精密制御や室温動作に新たな道を拓くものだと研究チームでは説明する。

また、電気と磁気を結びつける、時間反転対称性と空間反転対称性を同時に破る磁気配列は、今回対象とされた磁気トロイダル双極子のほか、磁気単極子(モノポール、ただし未発見)や磁気四極子などが知られているが、今回の結果は、そうした機能的磁気秩序を人工的に実現することで、その秩序が持つ基本的な物理法則の解明と、それに基づく新しい機能を開拓するためのモデルとなりうるものだとしているほか、磁気を利用した光の波長変換技術の開発や、磁気を組み込んだサブ波長人工物質(磁性メタマテリアル)を用いた新しい光-電気-磁気融合変換技術など、物質科学の諸分野にまたがる最先端物質の機能解明や新機能の創出にもつながることが期待されるとしている。